硒酸鈉與牛血清白蛋白相互作用的機理分析

韓曉樂，李擎宇，郝 浩，劉晨音，雷佳文，于 帆,胡軍成

(中南民族大學化學與材料科學學院，湖北 武漢,430074)

硒酸鈉(Na2SeO4，別名無水硒酸鈉)是自然界中硒的主要無機化合物之一，主要被用于癌癥的治療[8-13]。臨床試驗證明硒是可以作為很多癌癥化學療法的藥劑[14]。雖然大量實驗表明硒對癌有抑制作用，但其抑制機理并不十分清楚。具有重要應用前景的微量元素硒與生物大分子相互作用的報道也較少。隨著微量元素硒在生命科學中的廣泛應用，考慮到其抗癌藥物的活性與重要的醫用價值，研究其與牛血清白蛋白的相互作用顯得非常有意義,為此，本文在模擬動物體生理條件下, 采用熒光光譜、紫外-可見吸收光譜等方法研究不同溫度下硒酸鈉與牛血清白蛋白的相互作用，并通過計算二者相互作用時的熱力學參數及檢測硒酸鈉對牛血清白蛋白構象的影響，對其相互作用機理進行分析，以期為微量元素硒在生命科學中的應用提供參考。

1 試驗

1.1 儀器與試劑

帶恒溫系統的LS55熒光光度計(美國Perkinelmer公司)、TU-1901紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)；牛血清白蛋白(BSA)、Na2SeO4、Tris-base(三羥甲基氨基甲烷)、濃HCl,以上試劑均為分析純；實驗用水均為去離子水。

1.2 溶液配制

配制濃度為0.05 mol/L、pH = 7.4的Tris-HCl緩沖溶液：稱量6.057 g三羥甲基氨基甲烷置于l L燒杯中，加入約800 mL去離子水，使其充分溶解后，用鹽酸調節溶液pH=7.4。將溶液定容至1 L，高溫高壓滅菌后，放置于4 ℃冰箱中保存備用。

配制濃度為5.0×10-6mol/L的 BSA溶液:稱量6.800 g的BSA，加入至20 mL新制的Tris-HCl緩沖液中，使其溶解消泡后，轉移保存于4 ℃冰箱中備用。

配制濃度為1.0×10-3mol/L 的Na2SeO4溶液：稱取0.944 mg的Na2SeO4，加入至3 mL去離子水中，充分溶解后，將溶液定容至5 mL備用。

配制BSA-Na2SeO4體系溶液：在298、304、310 K溫度下，取3 mL濃度為5.0×10-6mol/L的BSA溶液于比色皿中，然后分別取3 μL濃度為1.0×10-3mol/L 的Na2SeO4溶液對BSA溶液進行連續滴定，配制BSA-Na2SeO4體系溶液，其中Na2SeO4的滴定終態濃度分別為：0、1.67×10-6、3.33×10-6、5.00×10-6、6.67×10-6、8.33×10-6、10.00×10-6、11.67×10-6mol/L。

1.3 表征

熒光光譜：選定激發狹縫寬度和發射狹縫寬度分別為10.0、5.0 nm，在激發波長為280 nm下測定Na2SeO4-BSA體系在298、304、310 K溫度下的熒光光譜。

中國共產黨在山東抗日根據地的文化動員工作一直以宣傳抗日政策，提高民眾文化素質為主要方向，各級黨組織致力于揭露日偽的罪行和奴化教育的真實面目，打擊和駁斥妥協投降的亡國謬論，發展各級學校教育，提高民眾文化素質和政治覺悟，堅定廣大軍民的抗戰決心，配合根據地各項工作的開展。這些工作為抗戰勝利和新民主主義文化的發展產生了重要作用。

紫外-可見吸收光譜：測定在溫度為298 K、pH=7.4的條件下所配制的不同濃度的Na2SeO4-BSA體系溶液的紫外-可見吸收光譜。

三維熒光光譜：在激發波長為200 nm、掃描波長為290～480 nm范圍內，測定Na2SeO4-BSA體系的三維熒光光譜，掃描圈數為31。

2 結果與分析

2.1 不同濃度Na2SeO4對BSA熒光光譜的影響

在溫度為 298 K下，不同濃度的Na2SeO4對BSA熒光光譜的影響如圖1所示。從圖1中可以看出，在一定濃度范圍內，Na2SeO4對BSA的熒光能產生猝滅效應，且隨著Na2SeO4濃度逐漸增大，BSA熒光強度發生有規律的猝滅， 其最大發射波長從343 nm 紅移至352 nm,表明BSA與Na2SeO4發生了相互作用，BSA的發色團微環境發生了改變，使色氨酸(Trp)殘基更加裸露，即色氨酸所處環境的疏水性減弱，極性增強。

圖1 不同濃度的Na2SeO4對BSA熒光光譜的影響

Fig.1 Effects of different concentrations of Na2SeO4on fluorescence spectra of BSA

2.2 Na2SeO4與BSA相互作用的機制

熒光猝滅主要包含動態猝滅、靜態猝滅、混合型猝滅等[15]。熒光體與猝滅劑分子間的相互作用可用Stern-Volmer方程[16]進行描述，即

(1)

式中：F0為未加入猝滅劑時BSA的熒光強度；F為加入猝滅劑Na2SeO4后BSA的熒光強度；[Q]為猝滅劑Na2SeO4的濃度, mol/L;Ksv為Stern-Volmer猝滅常數， L/mol。

不同溫度下Na2SeO4猝滅BSA熒光的Stern-Volmer關系圖如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著溫度的升高，Stern-Volmer猝滅常數(Ksv)不斷減小，由此表明，溫度升高，猝滅劑Na2SeO4與BSA形成的復合物的穩定性降低，溫度升高不利于猝滅過程的進行，進而推測Na2SeO4與BSA相互作用形成了某種特定結構的基態配合物，表明Na2SeO4對BSA熒光猝滅為靜態熒光猝滅。

圖2 不同溫度下Na2SeO4猝滅BSA熒光的Stern-Volmer關系圖

Fig.2 Stern-Volmer relationship of Na2SeO4quenching BSA fluorescence at different temperatures

靜態熒光猝滅作用是指熒光體分子與熒光猝滅劑分子之間借助分子間力結合形成了具有一定結構的超分子配合物、從而導致熒光體熒光強度減弱的現象, 靜態的猝滅數據可以用修正的Stern-Volmer方程[17]處理, 即

(2)

式中：fa為可被熒光猝滅劑接近的發色基團占總的發色基團的百分比；Ka為靜態熒光猝滅過程中復合物的形成常數, L/mol，它反映了在靜態猝滅過程中生物大分子與熒光猝滅劑分子的結合反應達到平衡時的量效關系。

不同溫度下Na2SeO4猝滅BSA熒光修正的Stern-Volmer關系圖如圖3所示。從圖3中可以看出，靜態猝滅常數Ka隨著溫度的升高而增大，表明Na2SeO4對BSA的熒光猝滅作用不是由擴散和碰撞引起的動態猝滅,而符合靜態猝滅機制，進一步驗證了前面的推測， Na2SeO4與BSA相互作用引起熒光猝滅并形成了基態配合物。

圖3 不同溫度下Na2SeO4猝滅BSA熒光的修正的Stern-Volmer關系圖

Fig.3ModifiedStern-VolmerrelationshipofNa2SeO4quen-ching BSA fluorescence at different temperatures

在溫度為298 K、pH=7.4的條件下，不同濃度的Na2SeO4對BSA紫外-可見吸收光譜的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，對加入不同濃度的Na2SeO4后的BSA與未加入Na2SeO4空白的BSA的紫外-可見吸收光譜進行比較，在吸收波長為280 nm附近，加入Na2SeO4后，BSA的紫外-可見吸收光譜發生了明顯變化，且隨著Na2SeO4濃度的增加，Na2SeO4-BSA體系的吸光度逐步增強，進一步表明Na2SeO4與BSA基態分子間發生作用是BSA熒光猝滅的根本原因。

圖4 不同濃度的Na2SeO4對BSA紫外-可見吸收光譜的影響

Fig.4 Effects of Na2SeO4with different concentrations on uv-vis absorption spectra of BSA

2.3 Na2SeO4與BSA相互作用模式

對于靜態猝滅過程，小分子與蛋白質等生物大分子之間的相互作用通常包括靜電作用力、疏水力、氫鍵、范德華力和空間位阻排斥力等[18]。根據相互作用的熱力學參數，可以近似地判斷出生物活性小分子與生物大分子之間的主要作用力類型。利用Van’t Hoff方程可以計算Na2SeO4與BSA反應的焓變和熵變，進而得到不同溫度下反應自由能變(ΔG)，即

(3)

式中：K為Na2SeO4與BSA的結合常數， L/mol；R為摩爾氣體常數；ΔH為反應的標準焓變, kJ/mol;ΔS為反應的標準熵變, J/(mol·K);T為反應溫度，K。

以lnK對1/T作圖，由斜率和截距分別計算出焓變(ΔH)和熵變(ΔS),則不同溫度下Na2SeO4與BSA之間的反應自由能變(ΔG)可表示為：

ΔG=ΔH-TΔS

(4)

不同溫度下Na2SeO4與BSA相互作用的熱力學參數如表1所示。從表1中可以看出，ΔG<0, ΔH<0，ΔS>0，表明Na2SeO4與BSA之間的相互作用模式主要是以靜電相互作用為主，且是一個自發的反應。

表1 不同溫度下Na2SeO4與BSA相互作用的熱力學參數

Table 1 Thermodynamic parameters of interaction between Na2SeO4and BSA at different temperatures

T/KΔH/kJ·mol-1ΔS/J·mol-1·K-1ΔG/kJ·mol-1298-78.2340.6-18.0304-78.2340.6-18.2310-78.2340.6-18.4

2.4 Na2SeO4與BSA間的結合平衡

根據小分子與大分子配位方程，將BSA的熒光強度與猝滅劑Na2SeO4的濃度關系由熒光物質與猝滅劑間的結合表達式[19]求出，即

(5)

式中：Kb為Na2SeO4與BSA的表觀結合常數, L/mol；n為它們之間的結合位點數。

由式(5)求出不同溫度下Na2SeO4與BSA作用的表觀結合常數及結合位點數，列于表2。從表2中可以看出，隨著溫度的升高，表觀結合常數(Kb)不斷地減小，當接近人體體溫(310 K)時，表觀結合常數最小，表明在人體體溫范圍內，Na2SeO4與BSA結合較弱，其毒性應該也較弱，結合位點(n)約為1，表明BSA與Na2SeO4相互作用形成一個結合位點。

表2 不同溫度下Na2SeO4與BSA作用的表觀結合常數及結合位點

Table 2 Apparent binding constants and binding sites of Na2SeO4and BSA at different temperatures

T/KKb/104 L·mol-1nR22982.21.0230.9983041.71.0920.9983101.21.0810.995

2.5 Na2SeO4對BSA二級結構的影響

利用三維熒光光譜檢測Na2SeO4與BSA發生相互作用后Na2SeO4對BSA二級結構的影響。BSA及Na2SeO4-BSA體系的三維熒光譜圖如圖5所示。從圖5中可以看出，加入Na2SeO4后，BSA的瑞利散射峰起始位置無明顯變化，但BSA熒光峰(峰1)強度略有減弱，其熒光強度從498.6減小至437.2，進一步表明Na2SeO4對BSA有熒光猝滅作用；同時BSA的熒光峰(峰1)的位置略有變化，發射峰位置從342 nm 藍移至339 nm, 表明Na2SeO4對BSA的二級結構有一定的影響。

(a)BSA

(b)BSA-Na2SeO4體系

Fig.5 Three-dimensional fluorescence spectra of BSA and BSA-Na2SeO4system

3 結論

(1)硒酸鈉對牛血清白蛋白的熒光有猝滅效應，二者反應形成復合物，硒酸鈉對牛血清白蛋白熒光猝滅的方式屬于靜態猝滅。

(2)硒酸鈉與牛血清白蛋白主要靠靜電相互作用力結合，且相互作用是自發進行的。

(3)硒酸鈉與牛血清白蛋白的結合位點數約為1，它們之間可以形成一個結合位點。

(4)在較小的濃度下，硒酸鈉對牛血清白蛋白的二級結構有一定的影響。